適用于4°和8°偏軸硅面碳化硅襯底的原位處理方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明提出的是一種適用于沿〈11-20〉方向4°和8°偏軸硅面碳化硅襯底的原位處理方法，采用同一原位處理工藝，在沿〈11-20〉方向4°偏軸和8°偏軸的硅面碳化硅(SiC)襯底上均可以制備出具體較好表面質量的SiC外延薄膜。屬于半導體材料技術領域。
【背景技術】
[0002]SiC半導體材料，廣泛應用于電力電子器件(二極管、場效應管、換能器；馬達驅動器；輸出整流器)、微波器件(寬帶通訊、有源相控陣雷達)、光電子器件(半導體照明)等領域，屬于國際高端先進材料。目前，SiC器件已被用于混合動力汽車和電動汽車設備、SiC器件電源模塊、SiC變頻空調、SiC逆變器中。同時，許多公司已在其IGBT變頻或逆變裝置中用這種器件取代硅快恢復二極管，提高工作頻率、大幅度降低開關損耗的明顯效果，其總體效益遠遠超過SiC器件與硅器件的價差。SiC電力電子器件在不久的將來將會取代Si器件。
[0003]SiC電力電子器件研制需要特定摻雜濃度及厚度的單層或者多層碳化硅外延材料，目前SiC外延材料主要采用化學氣相沉積的方法制備。在SiC同質外延中，為了保證外延材料能夠有效的繼承襯底的堆垛序列，保證晶體質量，大多采用沿C軸方向偏< 11-20 >方向切割的襯底。襯底偏角切割的意義在于在襯底表面引入原子級別的臺階。外延過程中，吸附的原子傾向于在臺階處成核生長，確保外延過程按臺階流(step-flow)的模式進行。
[0004]在開始外延生長之前，一般都會對襯底進行原位高溫氫氣刻蝕處理，以消除表面化學拋光未消除的微劃痕，提高外延片表面質量。目前常用的SiC襯底的偏角主要有4°和8。兩種。但是由于4°偏軸和8°偏軸SiC襯底表面的臺階密度不同，氫氣對襯底的刻蝕速率及臺面上方的硅蒸氣平衡分壓有所不同，因此需要采用的在線刻蝕工藝有所不同。
[0005]高溫下氫氣對SiC襯底的刻蝕過程如下:
SiC(s) e Si (I)+C (s)(3-1)
2C (s) +H2^ C 2H2 (g)(3-2)
Si(I) ^Si(g)(3-3)
8 °偏角的襯底上的臺階密度大于4 °偏角的襯底和正晶向襯底，氫氣對襯底的刻蝕速率最快，反應(3-2)的速度大于反應(3-3)的速度，反應(3-1)生成的硅不能及時通過反應(3-3)升華，因此常規(guī)的8°偏軸SiC襯底外延工藝中，在原位刻蝕階段，在1400°C以上需要加入額外的丙烷來抑制反應(2)，防止出現(xiàn)過度刻蝕出現(xiàn)硅滴導致表面粗糙度上升引入缺陷；4°偏角的襯底上，反應(3-2)，(3-3)速率相當，臺面上方的硅蒸氣平衡分壓小于8°偏角的襯底上硅蒸氣平衡分壓，一般采用純氫氣對襯底進行原位刻蝕處理。如果對4°偏軸的SiC襯底，如果采用適用于8°偏軸襯底的原位處理方法，在1500°C以上加入額外的丙烷的輔助氫氣刻蝕，4°偏軸襯底的外延片表面將會產生大量的微裂紋以及臺階聚束形貌，造成表面形貌退化的情況。目前SiC化學氣相沉積系統(tǒng)大部分為行星式多片外延爐，由于4°偏軸和8°偏軸SiC襯底的原位刻蝕工藝不同，導致4°偏軸和8°偏軸襯底不能實現(xiàn)同爐生長。另外由于原位刻蝕工藝的不一樣，4°偏軸和8°偏軸的SiC襯底外延差異也無法準確比較。
[0006]一種同時適用于4°偏軸以及8°偏軸的SiC襯底原位處理方法，必須要在抑制8°偏軸襯底刻蝕工程中硅滴形成的同時避免對4°偏軸襯底原位刻蝕不充分的情況出現(xiàn)。本專利通過在高溫刻蝕階段引入HCl氣體，通過Si組分和HCl反應形成氣相SiClx,有效加速了反應(3-3)的速率，避免高溫刻蝕過程中，8°偏軸襯底表面硅滴的形成，與此同時，又保證了 4°偏軸襯底的有效刻蝕。結合低速、低碳硅比緩沖層工藝，可以有效避免4°偏軸襯底表面臺階聚束形貌的產生。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明是一種適用于沿〈11-20〉方向4°偏軸和8°偏軸的硅面碳化硅(SiC)襯底的原位處理方法。以化學氣相淀積生長技術為基礎，采用同一工藝，在沿〈11-20〉方向4°偏軸和8。偏軸的硅面碳化硅(SiC)襯底上均可以制備出具體較好表面質量的SiC外延薄膜。該方法適用于任何SiC外延結構的生長工藝，可以實現(xiàn)4°偏軸和8°偏軸SiC襯底同一爐次生長，同時可以更加準確的比較4°偏軸和8°偏軸外延外延性質的差異。
[0008]本發(fā)明的技術解決方案:一種適用于沿〈11-20〉方向4°和8°偏軸硅面碳化硅襯底的原位處理方法，其特征是該方法包括如下工藝步驟:
O選取偏向〈11-20〉方向4°或者8°的硅面碳化硅襯底，將襯底置于SiC外延系統(tǒng)反應室內有碳化組涂層的石墨基座上；
2)系統(tǒng)升溫至1400°C，設置壓力為100-200mbar，在H2流量68_80L/min，維持反應室溫度15-25分鐘，對襯底進行純氫氣H2刻蝕；
3)繼續(xù)升溫達到1500°C后，向反應室通入少量氯化氫HCl輔助襯底刻蝕，其中HC1/H2流量比選用范圍0.01%-0.15% ；
4)繼續(xù)升溫，達到生長溫度后，維持生長溫度10-15分鐘，采用HCl輔助氏繼續(xù)對襯底進行原位刻蝕；
5)向反應室通入小流量硅烷SiH4及丙烷C3H8，控制SiH4/H2流量比小于0.025%，輔以低進氣端C/Si比小于I，并調節(jié)HCl氣體流量，控制Cl/Si比2左右，通入摻雜源氮氣N2，生長厚度1-5 μ m、摻雜濃度IXlO18 cm_3的緩沖層；
6)關閉生長源，通入少量氯化氫氣體對緩沖層進行原位刻蝕，HClAyi量比選用范圍
0.01%-0.15%，刻蝕時間2-6分鐘；
7)再次通入生長源，生長所需要的外延結構；
8)在完成所需外延結構生長之后，關閉生長源和摻雜源，降溫。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點:該外延方法同時適用于沿〈11-20〉方向4°偏軸和8°偏軸的硅面碳化硅(SiC)襯底。在多片SiC外延系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)4°偏軸和8°偏軸SiC襯底同一爐次生長，同時可以更加準確的比較4°偏軸和8°偏軸外延外延性質的差異。
【附圖說明】
[0010]附圖Ι-a是為采用該方法生長的4°偏軸碳化硅襯底外延片表面形貌示意圖。
[0011]附圖Ι-b是采用該方法在同一爐次生長的8°偏軸碳化硅襯底外延片表面形貌示意圖，外延片表面掃描采用Candela公司的CSlO表面缺陷檢測儀，采用反射光頻道的掃描結果進行對比。
【具體實施方式】
[0012]實施例1
提供的在行星式多片基SiC外延系統(tǒng)中同時適用于沿〈11-20〉方向4°偏軸和8°偏軸的硅面SiC襯底的原位處理方法包括以下步驟:
O選取偏向〈11-20〉方向